ГЛАВА XI. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

§ 74. Виды взаимодействий и классы элементарных частиц

Дать строгое определение понятна элементарной частицы оказывается затруднительный., В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Примеры таких превращений встречались нам в предыдущей главе (см. (66.7), (69.3), (69.4) и (69.5)).

Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых будет сказано ниже.

Известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (мы перечислили их в порядке убывания интенсивности).

Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние, на ротором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно см.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна (см. формулу (31.9) и следующий за ней текст). Радиус действия не ограничен ).

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды -распада ядер (включая -захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим.

Гравитационное взаимодействие 1). Константа взаимодействия имеет значение порядка . Радиус действия не ограничен . Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

В табл. 74.1 приведены значения (по порядку величины) константы разных видов взаимодействия.

Таблица 74.1

В последнем столбце таблицы указано среднее время жизни частиц, распадающихся за счет данного вида взаимодействия (это время называют также временем распада).

Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре адасса. К одному из «их относится только одна частица — фотон. Второй класс образуют лептоны, третий — мезоны и, наконец, четвертый класс — барионы. Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греческое «адрос» означает крупный, массивный).

Дадим краткую характерисядеку перечисленных классов частиц.

1. Фотоны, v (кванты электромагнитного ноля, участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2. Лептоны получили свое название от греческого слова «лептос», которое означает «легкий». К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием» электроны мюоны обнаруженный в 1975 г. тяжелый тау-лептон а также электронные нейтрино мюонные нейтрино и тау-нейтрино

Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т. е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда (см. ниже). К их числу принадлежат -мезоны или пионы -мезоны или каоны и эта-мезон

О -мезонах было рассказано в § 69. Масса -мезонов составляет те (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральных -мезонов). Время жизни -мезонов имеет величину порядка 10-8 с. Они распадаются с образованием -мезонов и лептонов или только лептонов. Масса эта-мезона равна 549 МэВ , время жизни порядка . Эта-мезоны распадаются с образованием -мезонов и -фотонов.

В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

4. Класс барионов объединяет в себе нуклоны () и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов . Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен , так что арионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда, о котором будет речь в § 77.

Кроме перечисленных выше частиц, обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь . Некоторые из резонансов являются бозонами и должны быть отнесены к классу мезонов. Другие резонансы — фермионы и должны быть причислены к классу гиперонов. В дальнейшем вопроса о резонансах мы касаться не будем.